Сцинтилляционный метод дефектоскопии моноэнергетическим электронным пучком Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 248 1975

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

Б. А. КОНОНОВ, В. В. ЕВСТИГНЕЕВ, В. М. ЗЫКОВ (Представлена научным семинаром НИИ электронной интроскопии)

В работе [I] было показано, что в области толщин 2-^-3 г/см2 контроль качества изделий целесообразно вести с использованием моноэнергетического пучка быстрых электронов. Использование моноэнергетического пучка электронов наиболее целесообразно для контроля слоистых изделий, когда производится контроль слоя легкого материала, экранированного слоями тяжелого материала. В определенной области отношений массовых толщин тяжелого и легкого слоев контроль рентгеновским излучением невозможен из-за сильного ослабления пучка тормозного излучения в слое из тяжелого материала. В работе [I] приведен анализ достижимой чувствительности контроля моноэнергетическим электронным пучком на основе экспериментально полученного распределения поглощенной энергии пучка в материалах с различным химическим составом и показано, что для контроля наиболее целесообразно использовать линейный участок распределения поглощенной энергии. В настоящей работе приведен приближенный анализ чувствительности сцинтилляционнного метода контроля моноэнергетическим пучком электронов и приведены экспериментальные результаты исследования чувствительности.

Оценку чувствительности сцинтилляционного метода дефектоскопии электронным пучком наиболее просто осуществить в предположении, что материал детектора (сцинтиллятор и световод) по эффективному атомному номеру мало отличается от материала контролируемого изделия, а зондирующий электронный пучок является узким по сравнению с радиусом детектора, расположенного за контролируемым изделием, г0 0,5-/?э, где Rb — экстраполированный пробег электронов в материале контролируемого изделия. В этом случае для оценки чувствительности можно воспользоваться известными данными по диссипации энергии моноэнергетического электронного пучка в полубесконечном однородном поглотителе. В зависимости от размера чувствительной области сцинтилляционного детектора хс в направлении просвечивания, начальной энергии электронного пучка Е0 и массовой толщины контролируемого изделия х показания детектора будут пропорциональны энергии электронного пучка D (х), поглощенной на глубине х в материале изделия или полной энергии электронного пучка 1(х) за контролируемым изделием. Энергия электронного пучка, поглощенная в чувствительном объеме детектора, в случае, когда xc^Roct, где Roer — остаточный пробег электронов в материале сцинтиллятора, в зависимости от толщины контролируемого изделия х может быть представлена в виде

1(х)=Ё(х). 7](х), (1)

Е (х)—средняя энергия электронов за контролируемым изделием,. ч\(х) — ослабление потока электронов в пучке контролируемым изделием. В формуле (1) величина 1(х) нормирована на один электрон, подающий на контролируемое изделие. Средняя энергия электронов с начальной энергией Е0 за слоем материала толщиной х с достаточным приближением может быть записана в виде

(2)

Подставляя значение Е (х) в выражение (1), имеем

Цх) = Е0[ 1- — )г1(х).

(3)

Здесь — экстраполированный пробег электронов с начальной энергией Е0 в материале контролируемого изделия, выраженной в г/см2. Энергию, поглощенную на глубине х, можно найти по формуле

0(х) =

(II (X) (1х

Е0

йх\ Р>э1 Яз

(4)

Для ослабления числа электронов ц(х) моноэнергетического электронного пучка барьерами различного химического состава при различных начальных энергиях имеется ряд эмпирических формул, основанных на экспериментальных исследованиях и расчетах по методу Монте-Карло [2, 3, 4].

Для получения выражения Р(х) на ее прямолинейном участке (х = 0,6-;-0,9 Яэ) следует учесть, что экстраполированные пробеги, определенные по прямолинейным участкам ц(х) и О(х), практически совпа

дают. Значение производной йц/йх на линейном выразить через

<1ч\(х) г](х)

йх

_1_

1 -

участке ц (х) можно

(5)

Отсюда для линейной части О(х) имеем

Щх) = -2^-г1(х),

что происходит уменьшение

(6)

энергии

знак «минус» указывает на то, электронного пучка.

Из выражений (3) и (6) можно оценить чувствительность сцинтил-ляционного метода дефектоскопии быстрыми электронами в случаях, когда хс <С/?ост и хс>Кост. Для случая Хс^^ост, дифференцируя выражение (6) по х и переходя к конечным приращениям, получим с учетом (5)

ДО 1 Ах

1

где

А О

х

8й

относительное изменение поглощенной энергии, обус-

толщины контролируемого

изменением

О

ловленное относительным

с л„

изделия —= ох. Минимально выявляемое толщины контролируемого изделия равно

относительное изменение

^шт = 5

'-Ж

80

П»

(8)

ôAi — пороговая чувствительность дефектоскопа, равная относительному изменению выходного сигнала за счет суммарного действия всех дестабилизирующих факторов, g = 3 — коэффициент надежности,

х— (0,6-^-0,9)— изменяется в пределах линейного участка D(x). Для случая сцинтиллятора с полным поглощением (xc>#oct) чувствительность контроля, с учетом выражения для dl/dx в виде (6), равна:

<9)

где ô/n — пороговая чувствительность дефектоскопа для рассматриваемого случая. Из сравнения чувствительности контроля в случае, когда xc<^Roct, и в случае, когда xc^R0ст, следует, что сцинтиллятор с пол-

2х

ным поглощением электронов обеспечивает в — большую чувстви-

R э

тельность.

На практике электронный пучок сопровождается тормозным излучением, которое генерируется в элементах конструкции источника моноэнергетических электронов, коллимирующем устройстве и в контролируемом изделии. Тормозное излучение, сопровождающее электронный пучок, регистрируется детектором как фон, который испытывает флуктуации, связанные с флуктуациями интенсивности электроного пучка, что приводит к уменьшению чувствительности контроля. Чувствительность одноканальной схемы дефектоскопа с учетом фона равна

где

N — отношение составляющей сигнала детектора, обусловленной постоянной компонентой фона, к составляющей сигнала детектора, обусловленной электронами, прошедшими контролируемое изделие,

6/'„ включает в себя флуктуации сигнала детектора за счет фона. Так как на практике основной вклад в тормозное излучение вносит тормозное излучение, генерируемое в элементах конструкции источника моноэнергетических электронов, то вклад тормозного излучения в сигнал детектора можно уменьшить, применяя фокусировку электронного пучка на входе в коллимирующее устройство и используя дополнительную защиту блока детектора от рассеянного тормозного излучения.

Эффективность регистрации тормозного излучения сцинтилляцион-ным детектором возрастает с увеличением размеров сцинтиллятора. Поэтому для уменьшения вклада тормозного излучения в сигнал детектора начальную энергию электронного пучка Е0 нужно выбирать таким образом, чтобы толщина изделия была ближе к экстраполированному пробегу электронов При этом нужно учитывать, что по мере приближения величины к размеру изделия увеличиваются статистическая погрешность измерения и погрешность за счет флуктуации начальной энергии электронов Е0.

В случае использования сцинтилляционного детектора нестабильность выходного сигнала регистрирующего устройства складывается из нестабильности за счет флуктуаций начальной энергии электронного пучка, нестабильности интенсивности источника электронов, нестабильности пространственного положения электронного пучка, статистической погрешности измерения за счет статистического характера взаимодействия электронов с веществом, нестабильности коэффициента усиления детектора, основной вклад в которую вносит нестабильность коэффици-

ента усиления фотоумножителя и нестабильность фона тормозного излучения. Нестабильности выходного сигнала, обусловленные нестабильностью начальной энергии, нестабильностью интенсивности источника электронов и фоном тормозного излучения можно уменьшить в несколько раз применением дифференциальной схемы измерений в силу детерминированного характера этих нестабильностей. Выражение для чувствительности контроля в форме (9) остается справедливым и для случая, когда используется дифференциальная схема измерений, если под 6/п понимать отношение флук-туаций на выходе дифференциальной схемы к величине сигнала на входе дифференциальной схемы. Чувствительность контроля, вычисленная по формуле (9), представлена на рис. 1 для случая, когда б/п = 0,02. Из характера зависимости видно, что 8Хт1п уменьшается при Так как при вычислении

чувствительности не учитывалось увеличение б/п при за счет

увеличения вклада фона, статистической погрешности и влияния нестабильности энергии Е0у то в реальном случае при чувствительность возрастает до некоторого предела, определяемого суммарной нестабильностью за счет указанных факторов.

Поскольку изменение характеристик электронного пучка при изменении толщины поглотителя, выраженной в г/см2, слабо зависит от эффективного атомного номера материала поглотителя, то в случае контроля слоистых материлов, когда контролируемый слой материала с небольшим атомным номером экранирован материалом с большим атомным номером, чувствительность контроля будет практически определяться относительной неравномерностью толщины тяжелоатомного слоя бхт

3*шт (П)

где

к— отношение массовой толщины слоя с большим атомным номером к массовой толщине слоя с малым атомным номером,

I — коэффициент надежности.

Чувствительность контроля легкоатомного материала, экранированного слоями тяжелоатомного материала, можно существенно повысить, если в сигнал на выходе сцинтилляционного дефектоскопа ввести коррекцию на изменение толщины тяжелоатомных слоев, измеряя их одним из известных методов контроля, например, электромагнитным.

Экспериментальное исследование чувствительности сцинтилляционного метода контроля быстрыми электронами было осуществлено при использовании практически моноэнергетического электронного пучка с энергией 3^6 Мэв и дифференциальной схемы измерений на образцах с массовой толщиной 1,5+2 г/см2. Получена чувствительность контроля 0,3% от суммарной массовой толщины контролируемого образца при поперечных размерах имитаторов дефектов, равных диаметру зондирующего электронного пучка и линейной скорости контроля 0,25м/мин.

с:

ч

йЗ Об 0,7 08 0,9 10

Рис. 1. Зависимость минимально выявляемого изменения толщины от отношения толщины изделия х к электрополированному пробегу электронов Яэ при 6/„ =0,02

В случае слоистых образцов экспериментально подтверждена справедливость выражения (II) для чувствительности контроля.

В заключение следует отметить, что приведенные выше формулы для оценки чувствительности сцинтилляционного метода контроля пучком моноэнергетических электронов применимы также для случая полупроводниковых детекторов электронов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б. А. Кононов', К. А. Д е р г о б у з о в, Ю. М. С т е п а н о-в. «Дефектоскопия», № 4, стр. 717, 1908.

2. В. N. S u b b a R а о. Nucí. Jnstrum. and Methods. 44, 155, 1966.

3. В. W. M a r. Nucl. Science and Engin., 24, № 2, 193, 1966.

4. D. H a r d e r, G. P о s e h e t, Phys. Letters, 24B, № 10, 510, 1967.